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  • I ricercatori fanno solide basi verso migliori interfacce per batterie agli ioni di litio

    Schema dell'architettura della cella della batteria completa e immagine microscopica in sezione trasversale della batteria effettiva. Credito:Laboratori Nazionali Sandia

    La ricerca presso i Sandia National Laboratories ha identificato un grave ostacolo all'avanzamento delle prestazioni delle batterie agli ioni di litio allo stato solido nei piccoli dispositivi elettronici:il flusso di ioni di litio attraverso le interfacce delle batterie.

    Il progetto triennale di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia ha studiato la chimica su nanoscala delle batterie a stato solido, concentrandosi sulla regione in cui elettrodi ed elettroliti entrano in contatto. La maggior parte delle batterie commerciali agli ioni di litio contiene un elettrolita liquido e due elettrodi solidi, ma le batterie a stato solido hanno invece uno strato di elettrolita solido, consentendo loro di durare più a lungo e di operare in modo più sicuro.

    "L'obiettivo alla base del lavoro è rendere più efficienti le batterie allo stato solido e migliorare le interfacce tra i diversi materiali, "Il fisico di Sandia Farid El Gabaly ha detto. "In questo progetto, tutti i materiali sono solidi; non abbiamo un'interfaccia liquido-solido come nelle tradizionali batterie agli ioni di litio."

    La ricerca è stata pubblicata in a Nano lettere carta dal titolo, "Migrazione Li+ non faradaica e coordinamento chimico tra interfacce di batterie a stato solido". Gli autori includono lo scienziato postdottorato Sandia Forrest Gittleson e El Gabaly. Il lavoro è stato finanziato dal programma Laboratory Directed Research and Development, con un finanziamento supplementare da parte dell'Ufficio di Scienze del Dipartimento di Energia.

    El Gabaly ha spiegato che in qualsiasi batteria al litio, il litio deve viaggiare avanti e indietro da un elettrodo all'altro quando viene caricato e scaricato. Però, la mobilità degli ioni di litio non è la stessa in tutti i materiali e le interfacce tra i materiali sono un grosso ostacolo.

    Velocizzare l'incrocio

    El Gabaly paragona il lavoro alla ricerca di come far muovere rapidamente il traffico attraverso un incrocio trafficato.

    "Per noi, stiamo cercando di ridurre l'ingorgo all'incrocio tra due materiali, " Egli ha detto.

    El Gabaly ha paragonato l'interfaccia elettrodo-elettrolita a un casello autostradale oa una fusione su un'autostrada.

    "Stiamo essenzialmente eliminando i pedaggi in contanti e dicendo che tutti devono seguire la corsia preferenziale, così stai appianando o eliminando i rallentamenti, " ha detto. "Quando si migliora il processo all'interfaccia si dispone dell'infrastruttura giusta per consentire ai veicoli di passare facilmente. devi ancora pagare, ma è più veloce e più controllato delle persone che cercano monete nel vano portaoggetti."

    Ci sono due importanti interfacce nelle batterie a stato solido, Lui ha spiegato, alla giunzione catodo-elettrolita e alla giunzione elettrolita-anodo. Entrambi potrebbero dettare i limiti delle prestazioni di una batteria piena.

    Gittleson aggiunge, "Quando identifichiamo uno di questi colli di bottiglia, noi chiediamo, "Possiamo modificarlo?" E poi cerchiamo di cambiare l'interfaccia e rendere i processi chimici più stabili nel tempo".

    I ricercatori dei Sandia National Laboratories Forrest Gittleson, sinistra, e Farid El Gabaly studiano la chimica su nanoscala delle batterie allo stato solido, concentrandosi sulla regione in cui elettrodi ed elettroliti entrano in contatto. Credito:Dino Vournas

    L'interesse di Sandia per le batterie a stato solido

    El Gabaly ha affermato che Sandia è interessata alla ricerca principalmente perché le batterie a stato solido richiedono poca manutenzione, affidabile e sicuro. Gli elettroliti liquidi sono tipicamente reattivi, volatili e altamente infiammabili e sono una delle principali cause di guasto delle batterie commerciali. L'eliminazione della componente liquida può migliorare le prestazioni di questi dispositivi.

    "Il nostro obiettivo non era sulle batterie di grandi dimensioni, come nei veicoli elettrici, " El Gabaly ha detto. "Era più per l'elettronica piccola o integrata".

    Poiché il laboratorio californiano di Sandia non ha condotto ricerche sulle batterie a stato solido, il progetto ha prima gettato le basi per prototipare le batterie ed esaminare le interfacce.

    "Questo tipo di caratterizzazione non è banale perché le interfacce che ci interessano sono spesse solo pochi strati atomici, " ha detto Gittleson. "Usiamo i raggi X per sondare la chimica di quelle interfacce sepolte, vedere attraverso solo pochi nanometri di materiale. Sebbene sia difficile progettare esperimenti, siamo riusciti a sondare quelle regioni e a mettere in relazione la chimica con le prestazioni complete della batteria".

    Elaborazione della ricerca

    La ricerca è stata condotta utilizzando materiali che sono stati utilizzati in precedenti batterie a stato solido proof-of-concept.

    "Dal momento che questi materiali non sono prodotti su vasta scala commerciale, dovevamo essere in grado di fabbricare dispositivi completi in loco, " El Gabaly ha detto. "Abbiamo cercato metodi per migliorare le batterie inserendo o modificando le interfacce in vari modi o scambiando materiali".

    Il lavoro ha utilizzato la deposizione laser pulsata e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X combinati con tecniche elettrochimiche. Ciò ha consentito la deposizione su scala molto ridotta poiché le batterie sono sottili e integrate su un wafer di silicio.

    "Utilizzando questo metodo, possiamo progettare l'interfaccia fino al livello nanometrico o addirittura subnanometrico, "Gittleson ha detto, aggiungendo che sono stati creati centinaia di campioni.

    Costruire batterie in questo modo ha permesso ai ricercatori di avere una visione precisa di come appare quell'interfaccia perché i materiali possono essere assemblati in modo così controllabile.

    La fase successiva della ricerca è migliorare le prestazioni delle batterie e assemblarle insieme ad altre tecnologie Sandia.

    "Ora possiamo iniziare a combinare le nostre batterie con i LED, sensori, piccole antenne o qualsiasi numero di dispositivi integrati, " ha detto El Gabaly. "Anche se siamo soddisfatti delle prestazioni della nostra batteria, possiamo sempre cercare di migliorarlo di più".


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